作者：李翰泽，黄依云
来源：《科技传播》 2018年第24期
摘 要 宇宙射线是宇宙中天体演化高能过程中的产物，能帮助人类解开许多未解之谜。笔者于2016 年11 月2 日的“国际宇宙日”之前完成了全球中学生相同题目的宇宙射线实验，并在国际视频会议上宣讲了高质量的论文。笔者利用东直门中学楼顶上的宇宙射线探测器阵列，对单位立体角内广延大气簇射（EAS）强度与天顶角的函数关系展开研究。本文介绍了本实验的原理、装置、过程、数据处理和结果讨论。该论文已编入了会议文集，成为提交“国际宇宙日”的第一篇中国大陆中学生的论文。
关键词 宇宙射线；广延大气簇射；天顶角；闪烁探测器
中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）225-0185-02
1 选题缘起
宇宙射线（简称“宇宙线”）是来自宇宙空间的高能粒子。它是宇宙中天体演化高能过程的产物，它带来了宇宙和天体演化丰富的宝贵信息，也帮人类了解无穷小世界的奥秘。宇宙线是天然易得的研究样品；研究宇宙线的仪器设备和方法是成熟的、先进的，而且是中学生经培训后可以学会的。研究宇宙线的仪器设备和方法包含丰富的当代先进技术，可以让中学生受到现代科学研究的真实训练，在青少年中培养拔尖创新人才，培养青少年的科学素质和探索精神。通过基础知识的学习，笔者了解到天顶角是宇宙射线探测的一个重要参数，可以用它获得宇宙射线入射时的很多特点，因此笔者决定通过天顶角研究宇宙射线的部分性质，选择了本课题。
2 研究意义
在美洲、欧洲和亚洲，已有几百个中学，在大学和研究所的科学家指导下，建立了由宇宙线探测器组成的单个观测站，并且已构成一个世界性网络，进行超高能宇宙射线实验研究，形成开放型的国际合作，每年一次组织“国际宇宙日”网络视频会议进行讨论交流。可以说该项目的应用推广前景十分广泛，东直门中学是中国大陆第一所拥有闪烁探测器阵列的学校，如果像美洲，欧洲那样，在全国中学、大学中推广，就可以开展我国自主的极端高能宇宙射线的深入研究了。
3 文献综述
笔者主要阅读沈长铨教授编写的《中学生宇宙射线物理基础教程》一书中的第七章，并结合其他中外文献如《宇宙线入门》等，初步了解到：目前，在美洲、欧洲和亚洲，已有几百个中学，在大学和研究所的科学家指导下，建立了由宇宙线探测器组成的单个观测站，并且已构成一个世界性网络，进行超高能宇宙射线实验研究，形成了开放型的国际合作。但中国大陆的中学一直均未开展过有关宇宙射线方面的研究，东直门中学在教学楼顶上建立的闪烁探测器阵列，让笔者有机会开展对宇宙射线的研究。
笔者在中国知网上搜索了一些关于国内外宇宙射线的研究现状，发现：用主题为“宇宙射线研究现状”进行检索，有24 条结果。有大学的硕士论文，还有研究所的研究论文，经分析笔者认为我国研究正在不断深入，高能宇宙线起源、加速和传播的研究是新世纪物理学前沿探索的重大科学问题之一，宇宙线研究还和当代其他前沿物理学研究密切相关。由于我们刚刚接
触宇宙射线，我们研究决定以广延大气簇射与天顶角的函数关系作为起步，逐步深入研究宇宙射线。我们再用主题为“国外宇宙射线研究现状”进行跨库模糊检索，发现并未找到相关文献，综上所述，我们撰写了这篇文献综述。
4 实验仪器设备简介
在中国科学院高能物理研究所科学家的帮助下，在北京市东直门中学的教学楼顶上建造了一个宇宙线广延大气簇射阵列（如图1 所示）。它由9 个按3×3 矩阵分布的闪烁探测器组成，每个探测器的灵敏面积0.5 平方米，互相间距10 米。它位于北纬39 度56 分，东经116 度25 分，海拔46.4 米。
每一个闪烁探测器呈倒金字塔形，如图2。当射线射到塑料闪烁体时激发闪烁体产生光子。光子在金字塔形的空气光导中发生漫反射，由于金字塔四壁材料为高白度的白纸使光子反射时损失尽量小，一些光子反射至光电倍增管的光阴极，打出光电子，光电子被管内电场聚焦和加速后打到第一打拿极，打出几倍的电子，再被该打拿极与下一个打拿极间的电场聚焦和加速后打到下一个打拿极，再打出几倍的电子，经过12 个打拿极后电子数倍增数百万倍，最后被阳极收集，形成一个电脉冲信号，从阳极输出。
附在每个探测器上的前端电子学机盒先把探测器的信号数字化，由GPS 钟标明精确到纳秒(10-9秒) 的时间，再转换成光信号后由光缆输送至实验室；在实验室变换成电信号后再由一台计算机连续采集数据并在线控制全部设备。每当宇宙线带电粒子穿过我们的探测器，其穿过每个探测器的GPS 时间、信号幅度和着火探测器编号都会构成一个记录被记录下来，积累到一定的数据量，我们的系统会将获取的数据按规定格式打包成原始数据文件，存入硬盘。全系统已经连续自动运行2 年多，积累了大量有效数据。科学家用C++ 语言和ROOT 软件包帮我们编写了由原始数据转换成每个事例的基本数据的程序，教我们学会了用ROOT 分析数据和作图。
5 实验原理介绍
高能宇宙线进入地球大气层时会撞击大气原子核，发生强作用和电磁作用，并产生几个次级粒子，次级粒子能量足够高时又会在向下飞行时再次与大气原子核发生碰撞，产生新的更多次级粒子，如此重复，次级粒子数急剧增加，这就是宇宙线的广延大气簇射(Extensive Air Shower ，简称EAS) 现象。而随着次级粒子数的增长，粒子能量则越来越低，因而衰变或被大气吸收的几率增大，随大气深度的增加（即海拔高度的降低）次级粒子数达到一个最大值后，逐渐减少。次级粒子的运动方向都几乎平行于原初宇宙线粒子的方向，分布在以原初粒子径迹延长线为轴（EAS 轴）的数百米范围内，离轴越近处粒子密度越大，如图3 所示。由探测到的粒子密度分布，可以算得轴心位置；由探测到的粒子数，可以算得原初宇宙线粒子能量。
由于EAS 中心区的次级粒子平行且几乎同时以非常接近光速前行，通过测量到达各探测器的次级粒子的相对时间差，我们可以推测原初宇宙线粒子的方向，如图4 所示。
6 数据处理
本实验利用东直门中学的宇宙射线探测器阵列，测量EAS 强度对天顶角的函数关系。
我们调取了728 分钟学校探测器的数据，并对数据进行如下处理：对同时有信号的探测器数目（符合重数条件）≥ 4 的事例进行重建，再对重建的所有事例的天顶角数据分区间进行事例数统计（区间分为0-10°，10-20°，20-30°，30-40°，40-50°，50-60°，60-70°，70° -90°，共8 个区间），根据天顶角与立体角的换算关系，算出相应天顶角范围内的单位立体角所对应的事例率。
7 结果讨论
原初宇宙线绝大部分是带电粒子，它们在宇宙空间运动时受星际磁场偏转，到达地球时表现为各向同性。进入地球大气层后，和大气原子作用。由于粒子穿过的大气厚度随天顶角增加而增加，于是天顶角越大，大气厚度越大，荷电粒子穿过大气时的能量损失增加，衰变几率增大，因而粒子数减少，相应于探测EAS 能量阈提高。由于宇宙线的强度随能量升高而急剧下降，EAS 事例率也就随天顶角增大而减少了。这就解释了为什么我们所绘制出的图像呈下降趋势。
特此感谢北京市青少年科学创新学院所举办的“翱翔计划”活动。感谢指导我们的中国科学院高能物理研究所的沈长铨老师。感谢基地校北京市东直门中学给予我们机会，以及基地校的张卫强老师。感谢参加数据收集处理的其他小组成员：李木子，唐仡夫，刘译方，任尔行，王谷川，孟紫瑞，感谢李木子同学对于论文的修改。
注释
①引自沈长铨.中学生宇宙射线物理基础教程[M].第7页2.1.参考文献
[1]O.C.阿尔科费尔.宇宙线入门[M].徐春娴，朱清棋，译，丁林垲，校.
[2]谢一冈，等.粒子探测器与数据获取[M].北京：科学出版社，2003.
[3]Claus Grupen，Boris Shwartz.粒子探测器[M].朱永生，盛华义，译.北京：中国科学技术大学出版社，2015.
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